เรียนรู้เกี่ยวกับพลังงาน

ทีมนักฟิสิกส์ นักเคมี และนักชีววิทยาระดับนานาชาติ ซึ่งนำโดยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สามารถศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งเป็นกระบวนการที่พืช สาหร่าย และแบคทีเรียบางชนิดเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงานในเซลล์ที่มีชีวิตในช่วงเวลาที่เร็วมาก: หนึ่งในล้าน หนึ่งในล้านของวินาที แม้ว่าจะเป็นหนึ่งในกระบวนการที่มีชื่อเสียงและได้รับการศึกษามากที่สุดในโลก แต่นักวิจัยพบว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงยังคงมีความลับที่จะบอกได้ ด้วยการใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบเร็วพิเศษเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของพลังงาน นักวิจัยพบว่าสารเคมีที่สามารถสกัดอิเล็กตรอนจากโครงสร้างโมเลกุลที่มีหน้าที่ในการสังเคราะห์ด้วยแสงทำได้ในระยะเริ่มแรก แทนที่จะเป็นอย่างที่เคยคิดกันไว้ในภายหลัง การสังเคราะห์ด้วยแสงแบบ 'การเดินสายใหม่' นี้สามารถปรับปรุงวิธีการจัดการกับ พลังงาน ส่วนเกิน และสร้างวิธีการใหม่และมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการใช้พลังของมัน ผลลัพธ์ได้รับการรายงานในวารสารNature ดร. เจนนี่ จาง จากแผนกเคมี Yusuf Hamied ของเคมบริดจ์ ผู้ประสานงานการวิจัยกล่าวว่า "เราไม่รู้เรื่องการสังเคราะห์ด้วยแสงมากเท่ากับที่เราคิด และเส้นทางการถ่ายโอนอิเล็กตรอนใหม่ที่เราพบที่นี่ก็น่าประหลาดใจอย่างยิ่ง" ในขณะที่การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการทางธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์ยังได้ศึกษาว่าสามารถใช้เพื่อช่วยจัดการกับวิกฤตสภาพอากาศได้อย่างไร โดยการเลียนแบบกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อผลิตเชื้อเพลิงสะอาดจากแสงแดดและน้ำ เป็นต้น Zhang และเพื่อนร่วมงานพยายามทำความเข้าใจว่าทำไมโมเลกุลรูปวงแหวนที่เรียกว่า quinone จึงสามารถ 'ขโมย' อิเล็กตรอนจากการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ ควิโนนมีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ และสามารถรับและจ่ายอิเล็กตรอนได้ง่าย นักวิจัยใช้เทคนิคที่เรียกว่าสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงชั่วคราวแบบเร็วมากเพื่อศึกษาว่าควิโนนมีพฤติกรรมอย่างไรในไซยาโนแบคทีเรียที่สังเคราะห์ด้วยแสง Zhang กล่าวว่า "ไม่มีใครศึกษาได้อย่างถูกต้องว่าโมเลกุลนี้มีปฏิสัมพันธ์กับเครื่องจักรสังเคราะห์แสงอย่างไรในช่วงเริ่มต้นของการสังเคราะห์แสง เราคิดว่าเราแค่ใช้เทคนิคใหม่เพื่อยืนยันสิ่งที่เรารู้อยู่แล้ว" Zhang กล่าว "แต่เราพบเส้นทางใหม่ทั้งหมด และเปิดกล่องดำของการสังเคราะห์ด้วยแสงอีกเล็กน้อย" นักวิจัยพบว่าโครงสร้างโปรตีนที่ปฏิกิริยาเคมีเริ่มต้นของการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นโดยใช้สเปกโทรสโกปีแบบเร็วพิเศษในการเฝ้าดูอิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปได้ การรั่วไหลนี้สามารถช่วยให้พืชป้องกันตัวเองจากความเสียหายจากแสงจ้าหรือแสงที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว Tomi Baikie ผู้เขียนร่วมคนแรกจาก Cavendish Laboratory ของ Cambridge กล่าวว่า "ฟิสิกส์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นสิ่งที่น่าประทับใจอย่างมาก" โดยปกติแล้ว เราทำงานเกี่ยวกับวัสดุที่มีการสั่งซื้อสูง แต่การเฝ้าสังเกตการเคลื่อนย้ายประจุผ่านเซลล์จะเปิดโอกาสอันน่าทึ่งสำหรับการค้นพบใหม่ๆ เกี่ยวกับวิธีการทำงานของธรรมชาติ " "เนื่องจากอิเล็กตรอนจากการสังเคราะห์ด้วยแสงถูกกระจายไปทั่วทั้งระบบ นั่นหมายความว่าเราสามารถเข้าถึงพวกมันได้" ดร. ลอร่า เวย์ ผู้เขียนร่วมคนแรกซึ่งทำงานในภาควิชาชีวเคมีและปัจจุบันประจำอยู่ที่มหาวิทยาลัย Turku กล่าว ฟินแลนด์. "ความจริงที่ว่าเราไม่รู้ว่าเส้นทางนี้มีอยู่จริงนั้นน่าตื่นเต้น เพราะเราสามารถใช้ประโยชน์จากมันเพื่อดึงพลังงานมากขึ้นสำหรับพลังงานทดแทน" นักวิจัยกล่าวว่าความสามารถในการดึงประจุออกจากจุดก่อนหน้าของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง อาจทำให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อจัดการกับเส้นทางการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างเชื้อเพลิงสะอาดจากดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ ความสามารถในการควบคุมการสังเคราะห์ด้วยแสงอาจหมายถึงพืชผลสามารถทนต่อแสงแดดจัดได้มากขึ้น "นักวิทยาศาสตร์หลายคนพยายามที่จะแยกอิเล็กตรอนออกจากจุดก่อนหน้าในการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่กล่าวว่าเป็นไปไม่ได้ เพราะพลังงานถูกฝังอยู่ในโครงสร้างโปรตีน" จางกล่าว "ข้อเท็จจริงที่ว่าเราสามารถขโมยพวกมันได้ในขั้นตอนก่อนหน้านี้นั้นเหลือเชื่อมาก ในตอนแรก เราคิดว่าเราทำผิดพลาด ต้องใช้เวลาสักพักกว่าที่เราจะโน้มน้าวตัวเองว่าเราทำสำเร็จ" กุญแจสำคัญในการค้นพบคือการใช้ ultrafast spectroscopy ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถติดตามการไหลของพลังงานในเซลล์สังเคราะห์แสงที่มีชีวิตในระดับ femtosecond ซึ่งเป็นหนึ่งในพันของล้านล้านวินาที ศาสตราจารย์คริสโตเฟอร์ ฮาว ผู้เขียนร่วมจากภาควิชาชีวเคมีกล่าวว่า "การใช้วิธีการที่เร็วมากเหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับเหตุการณ์แรกเริ่มของการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งชีวิตบนโลกต้องพึ่งพาอาศัย"